[发明专利]一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光束焦深区光强实时检测方法及装置，适用于实时检测光束焦深区传输路径上焦点附近不同位置处的多个平面上的光强分布，尤其适用于检测高重复频率激光的光束光强分布。可广泛应用于超快激光物理实验和激光核聚变等需要确切知道与物质相互作用面处激光光强分布的研究中。

背景技术

在激光与物质相互作用研究中，一般需要将激光聚焦，以便获得高的激光功率密度。因此准确测量聚焦光斑的光强分布对研究的进展具有重要的现实意义。在某些具体的应用中，如激光核聚变，需要驱动多路脉冲激光束从不同的角度同时辐照靶丸，这就需要控制多路光束的光强分布，使其在靶丸上的光强分布接近一致，为保证精确性，就需要对各路光束的焦深区域的光强分布进行精确检测。另外在高精度激光材料加工、激光热处理、光的数字化处理等应用中，也需要对光束焦深区域的光强分布进行检测。常规的焦深区域焦点附近前后位置光强分布测量采用移动图像传感器逐点测量，测量精度低，且不能应用于测量脉冲激光焦深区域的光强分布。分光镜法和透镜阵列法可实现多个位置同时测量，但非全光学实现，存在结构复杂、操作繁琐等缺陷。

1998年，英国学者Paul M.Blanchard等人提出了基于散焦光栅的多平面成像技术，并实验实现了在同一像平面对三个物平面同时成像。散焦光栅实质上是离轴的菲涅耳波带片如图1所示，一方面起着普通光栅的棱镜作用，将入射波前在不同的衍射级上分束；另一方面起着菲涅耳波带片的透镜作用，在不同的衍射级上面引入不同的透镜作用。将两个散焦光栅正交叠放可用于实现对多个物平面同时成像，如果将更多的散焦光栅叠放在一起，可以实现对更多平面的同时成像。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明基于散焦光栅衍射分光效应，提供了一种简单而有效的实时检测入射光束焦深区域焦点前后多个位置处光强分布的方法及装置。本发明利用散焦光栅和图像传感器件结合使用，通过图像传感器检测入射光束成像光斑的光强分布情况，成像光斑分布对应着入射光束焦深区域对应位置处的光强分布，可以直观地反映入射光束焦深区域焦点附近对应位置处的光强分布，为实时光束控制和光束分析利用提供有效的反馈信息。该发明检测精度高，操作方便，成本低廉。

本发明的技术解决方案为：

一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法，该方法包含下列步骤：

1、将入射光束采用光束变换器件，分离部分光束用于光束焦深区域光强实时检测。

2、将散焦光栅和图像传感器置于被测光束光路中。

3、调节图像传感器位置，将图像传感器置于被测光束焦平面上，成像出各级衍射光斑。

4、采用计算实时采集图像，对图像进行滤波等处理，滤除图像传感器噪声，得到所成像的光斑分布。

5、根据成像关系得出成像光斑所对应的实际光斑的位置和光强分布情况。

散焦光栅具有对称分布的正负焦点。散焦光栅结合图像传感器可用于对光束焦点附近的光场分布进行实时检测。图像传感器置于入射光束的焦点位置，假设入射光束的等效焦距为f，散焦光栅的正一级等效焦距为f_g，图像传感器上面所成像的各级衍射光斑与实际光束光场分布，可根据成像关系得到。

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